En introduksjon til evolusjon
01 av 10Hva er evolusjon?
Foto Brian Dunne / Shutterstock.
Evolusjon er endring over tid. Under denne brede definisjonen kan evolusjon referere til en rekke endringer som skjer over tid – heving av fjell, vandringen av elveleier eller skapelse av nye arter. For å forstå historien om livet på jorden, må vi imidlertid være mer spesifikke om hva slags endres over tid vi snakker om. Det er der begrepet biologisk evolusjon kommer inn.
Biologisk evolusjon refererer til endringene over tid som skjer i levende organismer. En forståelse av biologisk evolusjon – hvordan og hvorfor levende organismer endrer seg over tid – gjør oss i stand til å forstå historien til livet på jorden.
De nøkkelen til å forstå biologisk evolusjon ligger i et konsept kjent som nedstigning med modifikasjon . Levende ting overfører sine egenskaper fra en generasjon til den neste. Avkom arver et sett med genetiske tegninger fra foreldrene sine. Men disse tegningene blir aldri kopiert nøyaktig fra en generasjon til den neste. Små endringer skjer for hver generasjon som går, og ettersom disse endringene akkumuleres, endrer organismer seg mer og mer over tid. Nedstigning med modifikasjon omformer levende ting over tid, og biologisk evolusjon finner sted.
Alt liv på jorden deler en felles stamfar. Et annet viktig konsept knyttet til biologisk evolusjon er at alt liv på jorden deler en felles stamfar. Dette betyr at alle levende ting på planeten vår stammer fra en enkelt organisme. Forskere anslår at denne felles stamfaren levde for mellom 3,5 og 3,8 milliarder år siden, og at alle levende ting som noen gang har bebodd planeten vår teoretisk sett kan spores tilbake til denne stamfaren. Implikasjonene av å dele en felles stamfar er ganske bemerkelsesverdig og betyr at vi alle er søskenbarn – mennesker, grønne skilpadder, sjimpanser, monarksommerfugler, sukkerlønner, parasollsopp og blåhval.
Biologisk evolusjon skjer på forskjellige skalaer. Skalaene som evolusjon skjer på, kan grovt sett grupperes i to kategorier: småskala biologisk evolusjon og bredskala biologisk evolusjon. Småskala biologisk evolusjon, bedre kjent som mikroevolusjon, er endringen i genfrekvenser i en populasjon av organismer som endres fra en generasjon til den neste. Bredskala biologisk evolusjon, ofte referert til som makroevolusjon, refererer til progresjonen av arter fra en felles stamfar til etterkommere i løpet av mange generasjoner.
02 av 10Historien om livet på jorden
Jurassic Coast verdensarvsted. Foto Lee Pengelly Silverscene Photography / Getty Images.
Livet på jorden har endret seg i ulik hastighet siden vår felles stamfar først dukket opp for mer enn 3,5 milliarder år siden. For bedre å forstå endringene som har funnet sted, hjelper det å lete etter milepæler i livets historie på jorden. Ved å forstå hvordan organismer, fortid og nåtid, har utviklet seg og diversifisert gjennom planetens historie, kan vi bedre sette pris på dyrene og dyrelivet som omgir oss i dag.
Det første livet utviklet seg for mer enn 3,5 milliarder år siden. Forskere anslår at jorden er rundt 4,5 milliarder år gammel. I nesten de første milliardene etter at jorden ble dannet, var planeten ugjestmild for liv. Men for rundt 3,8 milliarder år siden var jordskorpen avkjølt og havene var dannet og forholdene var mer egnet for dannelse av liv. Den første levende organismen ble dannet av enkle molekyler som var tilstede i jordens store hav for mellom 3,8 og 3,5 milliarder år siden. Denne primitive livsformen er kjent som den felles stamfaren. Den felles stamfaren er organismen som alt liv på jorden, levende og utdødd, stammer fra.
Fotosyntese oppsto og oksygen begynte å samle seg i atmosfæren for rundt 3 milliarder år siden. En type organisme kjent som cyanobakterier utviklet seg for rundt 3 milliarder år siden. Cyanobakterier er i stand til fotosyntese, en prosess der energi fra solen brukes til å omdanne karbondioksid til organiske forbindelser - de kan lage sin egen mat. Et biprodukt av fotosyntesen er oksygen, og ettersom cyanobakterier vedvarte, akkumulerte oksygen i atmosfæren.
Seksuell reproduksjon utviklet seg for rundt 1,2 milliarder år siden, og satte i gang en rask økning i utviklingstakten. Seksuell reproduksjon, eller sex, er en reproduksjonsmetode som kombinerer og blander egenskaper fra to foreldreorganismer for å gi opphav til en avkomsorganisme. Avkom arver egenskaper fra begge foreldrene. Dette betyr at sex resulterer i etableringen av genetisk variasjon og dermed tilbyr levende ting en måte å endre seg over tid - det gir et middel for biologisk evolusjon.
De Kambrisk eksplosjon er betegnelsen som ble gitt til tidsperioden mellom 570 og 530 millioner år siden da de fleste moderne dyregrupper utviklet seg. Den kambriske eksplosjonen refererer til en enestående og uovertruffen periode med evolusjonær innovasjon i planetens historie. Under den kambriske eksplosjonen utviklet tidlige organismer seg til mange forskjellige, mer komplekse former. I løpet av denne tidsperioden ble nesten alle de grunnleggende dyrekroppsplanene som vedvarer i dag, til.
De første ryggbenede dyrene, også kjent som virveldyr , utviklet seg for rundt 525 millioner år siden i løpet av Den kambriske perioden . Det tidligste kjente virveldyret antas å være Myllokunmingia, et dyr som antas å ha hatt en hodeskalle og et skjelett laget av brusk. I dag er det omtrent 57 000 arter av virveldyr som står for omtrent 3 % av alle kjente arter på planeten vår. De andre 97 % av artene som lever i dag er virvelløse dyr og tilhører dyregrupper som svamper, cnidarians, flatormer, bløtdyr, leddyr, insekter, segmenterte ormer og pigghuder samt mange andre mindre kjente dyregrupper.
De første virveldyrene på land utviklet seg for rundt 360 millioner år siden. Før rundt 360 millioner år siden var de eneste levende tingene som bodde på terrestriske habitater planter og virvelløse dyr. Deretter utviklet en gruppe fisker kjent som de lobefinnede fiskene de nødvendige tilpasningene til gjøre overgangen fra vann til land .
For mellom 300 og 150 millioner år siden ga de første virveldyrene på land opphav til krypdyr som igjen ga opphav til fugler og pattedyr. De første landvirveldyrene var amfibisketetrapodersom i noen tid beholdt nære bånd med de akvatiske habitatene de hadde dukket opp fra. I løpet av utviklingen utviklet tidlige landvirveldyr tilpasninger som gjorde dem i stand til å leve på land mer fritt. En slik tilpasning var fostervannsegg . I dag representerer dyregrupper, inkludert krypdyr, fugler og pattedyr, etterkommere av de tidlige fostervannene.
Slekten Homo dukket først opp for rundt 2,5 millioner år siden. Mennesker er relativt nykommere på evolusjonsstadiet. Mennesker divergerte fra sjimpanser for rundt 7 millioner år siden. For omtrent 2,5 millioner år siden utviklet det første medlemmet av slekten Homo seg, En hendig mann . Vår art, En klok mann utviklet seg for rundt 500 000 år siden.
03 av 10Fossils and the Fossil Record
Foto Digital94086 / iStockphoto.
Fossiler er restene av organismer som levde i en fjern fortid. For at et eksemplar skal anses som et fossil, må det være av en spesifisert minimumsalder (ofte betegnet som over 10 000 år).
Sammen danner alle fossiler – når de betraktes i sammenheng med bergartene og sedimentene de finnes i – det som omtales som fossilregisteret. Fossilprotokollen gir grunnlaget for å forstå utviklingen av livet på jorden. Fossilregisteret gir de rå dataene – bevisene – som gjør oss i stand til å beskrive fortidens levende organismer. Forskere bruker fossilregisteret til å konstruere teorier som beskriver hvordan organismer fra nåtid og fortid utviklet seg og forholder seg til hverandre. Men disse teoriene er menneskelige konstruksjoner, de er foreslåtte narrativer som beskriver hva som skjedde i en fjern fortid, og de må passe med fossile bevis. Hvis et fossil blir oppdaget som ikke passer med dagens vitenskapelige forståelse, må forskerne revurdere sin tolkning av fossilet og dets avstamning. Som vitenskapsforfatteren Henry Gee sier det:
'Når folk oppdager et fossil, har de enorme forventninger til hva det fossilet kan fortelle oss om evolusjon, om tidligere liv. Men fossiler forteller oss faktisk ingenting. De er helt stumme. Det mest fossile er, er et utrop som sier: Her er jeg. Takle det.' ~ Henry Gee
Fossilisering er en sjelden forekomst i livets historie. De fleste dyr dør og etterlater ingen spor; levningene deres blir fanget opp like etter deres død, eller de brytes raskt ned. Men av og til blir et dyrs rester bevart under spesielle omstendigheter og et fossil produseres. Siden vannmiljøer tilbyr forhold som er mer gunstige for fossilisering enn i terrestriske miljøer, er de fleste fossiler bevart i ferskvann eller marine sedimenter.
Fossiler trenger geologisk kontekst for å fortelle oss verdifull informasjon om evolusjon. Hvis et fossil tas ut av sin geologiske kontekst, hvis vi har de bevarte restene av en forhistorisk skapning, men ikke vet hvilke bergarter det ble løsnet fra, kan vi si veldig lite av verdi om det fossilet.
04 av 10Nedstigning med modifikasjon
En side fra en av Darwins notatbøker som skildrer hans første tentative ideer om forgreningssystemet for avstamning med modifikasjon. Offentlig domene bilde.
Biologisk evolusjon er definert som nedstigning med modifikasjon. Nedstigning med modifikasjon refererer til overføring av egenskaper fra foreldreorganismer til deres avkom. Denne overføringen av egenskaper er kjent som arvelighet, og den grunnleggende arvelighetsenheten er genet. Gener inneholder informasjon om alle tenkelige aspekter av en organisme: dens vekst, utvikling, oppførsel, utseende, fysiologi, reproduksjon. Gener er tegningene for en organisme, og disse tegningene overføres fra foreldrene til deres avkom hver generasjon.
Overføringen av gener er ikke alltid nøyaktig, deler av tegningene kan kopieres feil, eller når det gjelder organismer som gjennomgår seksuell reproduksjon, kombineres gener fra en forelder med genene til en annen forelderorganisme. Individer som er mer egnet, bedre egnet for miljøet, vil sannsynligvis overføre genene sine til neste generasjon enn de individene som ikke er godt egnet for miljøet. Av denne grunn er genene som er tilstede i en populasjon av organismer i konstant flyt på grunn av forskjellige krefter - naturlig utvalg, mutasjon, genetisk drift, migrasjon. Over tid endres genfrekvenser i populasjoner - evolusjon finner sted.
Det er tre grunnleggende konsepter som ofte er nyttige for å avklare hvordan nedstigning med modifikasjon fungerer. Disse konseptene er:
- gener muterer
- enkeltpersoner velges
- populasjoner utvikler seg
Det er altså ulike nivåer der endringer finner sted, gennivået, individnivået og populasjonsnivået. Det er viktig å forstå at gener og individer ikke utvikler seg, bare populasjoner utvikler seg. Men gener muterer og disse mutasjonene har ofte konsekvenser for individer. Individer med forskjellige gener blir selektert, for eller mot, og som et resultat endrer populasjoner seg over tid, de utvikler seg.
05 av 10Fylogenetikk og fylogenier
Bildet av et tre, for Darwin, vedvarte som en måte å se for seg spiren av nye arter fra eksisterende former. Foto Raimund Linke / Getty Images.
'Som knopper gir opphav til friske knopper ved vekst ...' ~ Charles Darwin I 1837,Charles Darwinskisserte et enkelt trediagram i en av notatbøkene hans, ved siden av skrev han de tentative ordene: jeg tror . Fra det tidspunktet vedvarte bildet av et tre for Darwin som en måte å se for seg spiren av nye arter fra eksisterende former. Han skrev senere inn Om artenes opprinnelse :
«Som knopper gir opphav til friske knopper ved vekst, og disse, hvis de er kraftige, forgrener seg og topper seg på alle kanter mange svakere grener, slik tror jeg etter generasjon at det har vært med det store Livets tre, som fylles med sine døde og knuste grener jordskorpen, og dekker overflaten med sine stadig forgrenede og vakre forgreninger.' ~ Charles Darwin, fra kapittel IV. Naturlig utvalg av Om artenes opprinnelse
I dag har trærdiagrammer slått rot som kraftige verktøy for forskere for å skildre forhold mellom grupper av organismer. Som et resultat har en hel vitenskap med sitt eget spesialiserte vokabular utviklet seg rundt dem. Her skal vi se på vitenskapen rundt evolusjonære trær, også kjent som fylogenetikk.
Fylogenetikk er vitenskapen om å konstruere og evaluere hypoteser om evolusjonære forhold og mønstre for avstamning mellom organismer fortid og nåtid. Fylogenetikk gjør det mulig for forskere å bruke den vitenskapelige metoden for å veilede deres studier av evolusjon og hjelpe dem med å tolke bevisene de samler inn. Forskere som jobber med å finne opphav til flere grupper av organismer, vurderer de ulike alternative måtene gruppene kan relateres til hverandre på. Slike evalueringer ser på bevis fra en rekke kilder som fossilregistrering, DNA-studier eller morfologi. Fylogenetikk gir dermed forskere en metode for å klassifisere levende organismer basert på deres evolusjonære forhold.
En fylogeni er den evolusjonære historien til en gruppe organismer. En fylogeni er en 'familiehistorie' som beskriver den tidsmessige sekvensen av evolusjonære endringer som oppleves av en gruppe organismer. En fylogeni avslører, og er basert på, de evolusjonære forholdene mellom disse organismene.
En fylogeni er ofte avbildet ved hjelp av et diagram kalt et kladogram. Et kladogram er trediagram som avslører hvordan slekter av organismer er sammenkoblet, hvordan de forgrenet seg og forgrenet seg gjennom historien og utviklet seg fra forfedres former til mer moderne former. Et kladogram skildrer forhold mellom forfedre og etterkommere og illustrerer sekvensen med hvilke egenskaper utviklet seg langs en avstamning.
Kladogrammer ligner overfladisk på slektstrærene som brukes i slektsforskning, men de skiller seg fra slektstrær på en grunnleggende måte: kladogrammer representerer ikke individer slik slektstrær gjør, i stedet representerer kladogrammer hele slektslinjer – kryssende populasjoner eller arter - av organismer.
06 av 10Evolusjonsprosessen
Det er fire grunnleggende mekanismer som biologisk evolusjon finner sted. Disse inkluderer mutasjon, migrasjon, genetisk drift og naturlig utvalg. Foto Fotoverk av Sijanto / Getty Images.
Det er fire grunnleggende mekanismer som biologisk evolusjon finner sted. Disse inkluderer mutasjon, migrasjon, genetisk drift og naturlig utvalg. Hver av disse fire mekanismene er i stand til å endre frekvensene til gener i en populasjon, og som et resultat er de alle i stand til å drive nedstigning med modifikasjon.
Mekanisme 1: Mutasjon. En mutasjon er en endring i DNA-sekvensen til en celles genom. Mutasjoner kan resultere i ulike implikasjoner for organismen - de kan ikke ha noen effekt, de kan ha en gunstig effekt, eller de kan ha en skadelig effekt. Men det som er viktig å huske på er at mutasjoner er tilfeldige og oppstår uavhengig av organismenes behov. Forekomsten av en mutasjon er ikke relatert til hvor nyttig eller skadelig mutasjonen ville være for organismen. Fra et evolusjonært perspektiv er ikke alle mutasjoner viktig. De som gjør det er de mutasjonene som overføres til avkom - mutasjoner som er arvelige. Mutasjoner som ikke er arvet omtales som somatiske mutasjoner.
Mekanisme 2: Migrasjon. Migrasjon, også kjent som genstrøm, er bevegelsen av gener mellom underpopulasjoner av en art. I naturen er en art ofte delt inn i flere lokale underpopulasjoner. Individene innenfor hver underpopulasjon parrer seg vanligvis tilfeldig, men kan parre seg sjeldnere med individer fra andre underpopulasjoner på grunn av geografisk avstand eller andre økologiske barrierer.
Når individer fra forskjellige underpopulasjoner enkelt beveger seg fra en underpopulasjon til en annen, flyter gener fritt mellom underpopulasjonene og de forblir genetisk like. Men når individer fra de forskjellige underpopulasjonene har problemer med å bevege seg mellom underpopulasjoner, begrenses genstrømmen. Dette kan i underpopulasjonene bli genetisk ganske annerledes.
Mekanisme 3: Genetisk drift. Genetisk drift er den tilfeldige fluktuasjonen av genfrekvenser i en populasjon. Genetisk drift dreier seg om endringer som bare er drevet av tilfeldige hendelser, ikke av noen annen mekanisme som naturlig utvalg, migrasjon eller mutasjon. Genetisk drift er viktigst i små populasjoner, der tap av genetisk mangfold er mer sannsynlig på grunn av at de har færre individer å opprettholde genetisk mangfold med.
Genetisk drift er kontroversiell fordi det skaper et konseptuelt problem når man tenker på naturlig utvalg og andre evolusjonære prosesser. Siden genetisk drift er en rent tilfeldig prosess og naturlig seleksjon er ikke-tilfeldig, skaper det vanskeligheter for forskere å identifisere når naturlig seleksjon driver evolusjonær endring og når denne endringen ganske enkelt er tilfeldig.
Mekanisme 4: Naturlig utvalg. Naturlig seleksjon er den differensielle reproduksjonen av genetisk varierte individer i en populasjon som resulterer i at individer hvis kondisjon er større, etterlater flere avkom i neste generasjon enn individer med mindre kondisjon.
07 av 10Naturlig utvalg
Øynene til levende dyr gir hint om deres evolusjonshistorie. Bilde Syagci / iStockphoto.
I 1858,Charles Darwinog Alfred Russel Wallace publiserte en artikkel som beskriver teorien om naturlig utvalg som gir en mekanisme som biologisk evolusjon skjer ved. Selv om de to naturforskerne utviklet lignende ideer om naturlig utvalg, anses Darwin for å være teoriens primære arkitekt, siden han brukte mange år på å samle og kompilere en enorm mengde bevis for å støtte teorien. I 1859 publiserte Darwin sin detaljerte beretning om teorien om naturlig utvalg i sin bok Om artenes opprinnelse .
Naturlig utvalg er måten fordelaktige variasjoner i en populasjon har en tendens til å bli bevart mens ugunstige variasjoner har en tendens til å gå tapt. Et av nøkkelbegrepene bak teorien om naturlig utvalg er at det er variasjon innen populasjoner. Som et resultat av den variasjonen er noen individer bedre egnet til miljøet mens andre individer ikke er så godt egnet. Fordi medlemmer av en befolkning må konkurrere om begrensede ressurser, vil de som er bedre egnet til deres miljø, utkonkurrere de som ikke er like godt egnet. I sin selvbiografi skrev Darwin om hvordan han unnfanget denne forestillingen:
«I oktober 1838, det vil si femten måneder etter at jeg hadde påbegynt min systematiske undersøkelse, leste jeg tilfeldigvis for moro skyld Malthus om Befolkning, og var godt forberedt til å sette pris på kampen for tilværelsen som overalt fortsetter fra langvarig observasjon av vanene av dyr og planter, slo det meg med en gang at under disse omstendighetene ville gunstige variasjoner ha en tendens til å bli bevart, og ugunstige til å bli ødelagt.' ~ Charles Darwin, fra hans selvbiografi, 1876.
Naturlig utvalg er en relativt enkel teori som involverer fem grunnleggende antakelser. Teorien om naturlig utvalg kan forstås bedre ved å identifisere de grunnleggende prinsippene den bygger på. Disse prinsippene eller forutsetningene inkluderer:
Resultatet av naturlig seleksjon er en endring i genfrekvenser i populasjonen over tid, det vil si at individer med gunstigere egenskaper vil bli mer vanlige i populasjonen og individer med mindre gunstige egenskaper vil bli mindre vanlige.
08 av 10Seksuell seleksjon
Mens naturlig seleksjon er et resultat av kampen for å overleve, er seksuell seleksjon resultatet av kampen for å reprodusere seg. Photo Eromaze / Getty Images.
Seksuell seleksjon er en type naturlig seleksjon som virker på egenskaper knyttet til å tiltrekke seg eller få tilgang til kamerater. Mens naturlig seleksjon er et resultat av kampen for å overleve, er seksuell seleksjon resultatet av kampen for å reprodusere seg. Resultatet av seksuell seleksjon er at dyr utvikler egenskaper hvis formål ikke øker sjansene deres for å overleve, men i stedet øker sjansene deres for vellykket reprodusering.
Det er to typer seksuell seleksjon:
Seksuell seleksjon kan produsere egenskaper som, til tross for å øke individets sjanser til å reprodusere, faktisk reduserer sjansene for å overleve. De fargerike fjærene til en mannlig kardinal eller det store geviret på en okse-elg kan gjøre begge dyrene mer sårbare for rovdyr. I tillegg kan energien en person bruker på å dyrke gevir eller legge på seg kiloene for å overstige konkurrerende kamerater, ta en toll på dyrets sjanser for å overleve.
09 av 10Samevolusjon
Forholdet mellom blomstrende planter og deres pollinatorer kan tilby et klassisk eksempel på koevolusjonære forhold. Foto med tillatelse fra Shutterstock.
Samevolusjon er utviklingen av to eller flere grupper av organismer sammen, hver som svar på den andre. I et koevolusjonært forhold er endringer som oppleves av hver enkelt gruppe organismer på en eller annen måte formet av eller påvirket av de andre gruppene av organismer i det forholdet.
Forholdet mellom blomstrende planter og deres pollinatorer kan tilby et klassisk eksempel på koevolusjonære forhold. Blomstrende planter er avhengige av pollinatorer for å transportere pollen mellom individuelle planter og dermed muliggjøre krysspollinering.
10 av 10Hva er en art?
Her vises to ligere, hanner og hunner. Ligers er avkommet produsert av en krysning mellom en hunntiger og en hannløve. Evnen til store kattearter til å produsere hybridavkom på denne måten gjør definisjonen av en art uskarp. Foto Hkandy / Wikipedia.
Begrepet art kan defineres som en gruppe individuelle organismer som eksisterer i naturen og under normale forhold er i stand til å avle for å produsere fruktbart avkom. En art er ifølge denne definisjonen den største genpoolen som eksisterer under naturlige forhold. Således, hvis et par organismer er i stand til å produsere avkom i naturen, må de tilhøre samme art. Dessverre er denne definisjonen i praksis plaget av uklarheter. Til å begynne med er denne definisjonen ikke relevant for organismer (som mange typer bakterier) som er i stand til aseksuell reproduksjon. Hvis definisjonen av en art krever at to individer er i stand til å blande seg, er en organisme som ikke krysser seg utenfor den definisjonen.
En annen vanskelighet som oppstår når man definerer begrepet art er at noen arter er i stand til å danne hybrider. For eksempel er mange av de store katteartene i stand til å hybridisere. En krysning mellom en hunnløve og en hanntiger produserer en liger. En krysning mellom en hann-jaguar og en hunnløve produserer en jaglion. Det er en rekke andre mulige krysninger blant panterartene, men de anses ikke for å være alle medlemmer av en enkelt art, da slike krysninger er svært sjeldne eller ikke forekommer i det hele tatt i naturen.
Arter dannes gjennom en prosess som kalles artsdannelse. Spesiasjon finner sted når avstamningen til en enkelt deler seg i to eller flere separate arter. Nye arter kan dannes på denne måten som et resultat av flere potensielle årsaker som geografisk isolasjon eller reduksjon i genflyt blant medlemmer av befolkningen.
Når det vurderes i sammenheng med klassifisering, refererer begrepet art til det mest raffinerte nivået i hierarkiet av store taksonomiske rekker (selv om det skal bemerkes at i noen tilfeller er arter videre delt inn i underarter).